第二章 制冷空调基础知识.docx
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第二章制冷空调基础知识
【课题】第二章 制冷空调基础知识
第一节 热力学定律
【教学目标】
1．知识目标：
工质的基本状态参数，理解热力学定律的内涵及应用。
2．能力目标：
通过理论知识的学习和应用，培养综合运用能力。
3．情感目标：
培养学生热爱科学，实事求是的学风和创新意识，创新精神。
【教学重点】热力学定律的内涵及应用。
【教学难点】焓湿图的意义和应用。
【教学方法】读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【课时安排】4学时。
【教学过程】
〖导入〗（2分钟）
在热力工程中，实现热能与机械能的转换或热能的转移，都要借助于一种携带热能的工作物质即工质，各种气体、蒸气及液体是工程上常用的工质。
在热力过程中，一方面工质的热力状态不断地发生变化，另一方面工质与外界之间有能量的交换。
因此，工质的热力性质及热能转换规律是工程热力学研究的内容。
〖新课〗1-2学时
第一节 热力学定律
一、工质的物理性质及基本状态参数
1．物质的三态
固态、液态及气态，三态之间是通过吸热或放热来完成其状态转化的。
（1）固态 该种状态的物质分子间的引力比其它两种状态大，且分子间的距离最小。
固体具一定形状。
（2）液态 液态的物质分子间的引力较小而间距较大。
分子间相互可移动，因此液体具有流动性而且无一定的形状。
（3）气态 和上述两种状态相比较，气态物体的分子间距离最大而分子间引力很小，分子间无相互约束，不停地进行着无规则的运动。
因此，气体无形状，元固定体积。
物质的状态取决于分子之间引力的大小和其热运动的强弱。
2．基本状态参数
热力学中常见的状态参数有（基本状态参数）温度T、压力p、密度或比体积v、比内能u、比焓h等。
（1）温度 描述热力系统冷热程度的物理量。
热力学温度的符号用T表示，单位为K（开）。
热力学温度与摄氏温度之间的关系为
t=T-273.15K或T=273.15K+t
t——摄氏温度，℃。
（2）压力
F——整个边界面受到的力，N；
S——受力边界面的总面积，m2。
绝对压力、工作压力和环境大气压力之间的关系为
pamb——当地大气压力；
pe——工作压力。
（3）比体积和密度 系统中工质所占有的空间称为工质的体积。
而单位质量的工质所占有的体积称比体积，用v表示，单位为m3/kg。
决定压缩机制冷量的重要参数。
与工质密度互为倒数。
例2-1 锅炉中蒸汽压力表的读数
；凝汽器的真空度值，根据真空表读为
。
若大气压力
，试求锅炉及凝汽器中蒸汽的绝对力。
解 锅炉中水蒸气的绝对压力
凝汽器（电压电容）中的绝对压力
3．理想气体状态方程式
Rg——气体常数
对于质量为m（kg）的理想气体，其状态方程为
V——质量为m（kg）的气体所占有的体积，m3；其它各参数同前。
二、热力学定律及应用
能量守恒及转换定律：
能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到一个系统。
在实际的工质状态变化中，热力学第一定律的表达式为：
q——加给1kg工质的热量，J/kg；
△u———1kg工质内能，J/kg；
w——机械功，J/kg。
热力学第二定律：
（1）在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移。
即在自然条件下这个转变过程是不可逆的，必须消耗功才能使热传递方向倒转过来。
（2）任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其它影响的条件下完全变成其它形式的能，这种转变在自然条件下是不可逆的。
热变为机械功，一定伴随有热量损失。
1．热量
（1）热量的定义 热量是系统与外界之间通过界面传递能量的一种方式。
热量是能量在传递过程中的一种表现形式。
热量与热力过程有关，当热量传递给系统即系统吸热时符号为正号，反之取负。
单位——J（焦耳）。
（2）热量传递的方式
①热传导②热对流③热辐射
2．焓、比热容
（1）焓的基本概念 1kg的气体工质流入到装有一定状态工质的容器中后，带来的能量等于其全部内能与该气体流动功之和，其值称为焓。
H表示质量为m的工质的焓，h表示1kg工质的焓，称为比焓，习惯上统称为“焓”，h的单位为J/kg，H的单位为J。
H——质量为m的工质的焓，J；
U——质量为m的工质的热力学能，J；
p——工质的压力，Pa；
V——工质的体积，m3；
m——工质的质量，kg；
u——1kg工质的热力学能，J/kg；
v——工质的比体积，m/kg；
h———1kg工质的焓，J/kg。
焓的变化量即是工质的热量，定压过程热和焓的表达式为
（2）比热容 1kg物质温度升高1K所需要的热量叫比热容，用c表示，其单位为kJ/（kg·K）。
比热容与热量和焓的关系式为：
在定容过程中：
在定压过程中：
例2-2 在一个空气加热器中，空气的温度从27℃升高到327℃，而空气的压力没有变化。
试求加热1kg空气所需的热量（按定值比热容计算）。
解 根据热力学第一定律方程式，查表空气的比定压热容为
。
，
，所以
3．熵
熵是状态参数。
标志着工质的温度对热交换起着推动作用的状态变化的参数称为“熵”。
工程上经常将温度T和熵S作为一个坐标系（称温—熵图），以反映系统在进行热交换过程中热量的变化。
3-4学时
三、制冷技术中常用的热力学名词
1．显热和潜热
（l）显热 物质分子的动能变化而物质形态不变，这一过程吸收或放出的热能称之为显热。
（2）潜热 物质分子的位能变化，即物质的状态发生改变，温度不发生变化，这一过程中物质吸收或放出的热能称之为潜热。
2．汽化与液化
（1）汽化 物质由液体转变成蒸气的过程就是汽化过程。
（2）液化 液化与汽化是相反的过程。
3．饱和温度和饱和压力
某种液体沸腾时所维持不变的温度称为沸点，热工学中又将其称为在某一压力下的饱和温度。
饱和温度与饱和压力一一对应。
压力升高，饱和温度升高，不同液体，同压力下饱和温度不同。
4．过热与过冷
（1）过热 过热度即过热蒸气的温度与饱和温度之差。
（2）过冷 过冷也有过冷度的概念，过冷液体温度比饱和液体温度所低的数值，称为制剂液体的过冷度。
5．临界温度和临界压力
压力增加，气体的液化温度随之升高，温度升高到某一数值时，气体的液化温度与压力之间就不是正比的关系了，即使再增大压力不能使气体液化，此时的温度就叫做临界温度；与临界温度对应的压力被称之为临界压力。
四、作业安排
五、课后反思
第二节 制冷压缩原理及制冷剂
【教学目标】
1．知识目标：
理解蒸汽压缩式制冷循环原理及压焓图的内涵；了解制冷剂性质和选用原则。
2．能力目标：
通过理论知识的学习和应用，培养综合运用能力。
3．情感目标：
培养学生热爱科学，实事求是的学风和创新意识，创新精神。
【教学重点】蒸汽压缩式制冷循环原理及压焓图的内涵。
【教学难点】蒸汽压缩式制冷循环原理及压焓图的内涵。
【教学方法】读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【课时安排】4学时
【教学过程】
〖导入〗（2分钟）
制冷剂蒸气被液化的条件是将温度降低到临界点以下。
制冷技术中的临界温度在对制冷剂的要求上是一项非常重要参数。
〖新课〗1-2学时
第二节 制冷压缩原理及制冷剂
一、制冷系统的组成
蒸气压缩式制冷机的工作原理如图所示。
制冷系统组成：
压缩机、冷凝器、膨胀阀（节流阀）、蒸发器及它们之间的连接管路等。
完成一个循环只经过一次压缩，称为单级压缩制冷循环。
制冷循环包括压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程。
设备名称
压缩机
冷凝器
节流阀
蒸发器
功用
吸入工质气体，提高压力造成向高温放热而液化的条件
将工质蒸气液化
降低液态工质的压力
由工质蒸发潜热（汽化热）而产生冷却作用
制冷工质
状态
气体（加入压缩功）
气体液体（放出凝结热）
液体
液体气体（吸收汽化热）
压力
增加
高压
降压
低压
温度
低温高温（过热过热）
高温常温（过热30~50C）
常温低温
低温过热温度
二、制冷循环
l．热功平衡分析
电能热能
制冷剂吸收低温物体热量q0，向高温介质释放热量qk，（q02．压—焓（p—h）图的构成如图。
3．压—焓图的应用
（1）查阅制冷剂的各参数。
（2）制冷理论循环，如图所示。
3-4学时
三、常用制冷剂
1．制冷机的种类
（l）氟利昂类制冷剂 饱和碳氢化合物氟、氯、溴衍生物的总称。
R：
制冷剂代号。
中文名称
分子式
符号
命名原则
二氟二氯甲烷
CCl2F2
R12
m-1=0，n+1=1，p=2
二氟一氯甲烷
CHClF2
R22
m-1=0，n+1=2，p=2
三氟一溴甲烷
CF3Br
R13B1
m-1=0，n+1=1，p=3，Br=1
二氟一氯乙烷
CH3-CF2CL
R142
m-1=0，n+1=4，p=2
（2）无机化合物制冷剂 氨、水、空气和二氧化碳等。
R表示制冷剂代号，后面加数字。
如R717，7——无机物；17——表示氨相对分子质量的整数。
（3）共沸溶液制冷剂 不同工质按一定比例混合物。
R加5，然后按实验成功顺序依次排列。
如R500、R501、R502等。
制冷剂按标准蒸发温度和常温冷凝压力的高低及温度应用范围，又可分高、中、低温制冷剂。
2．对制冷工质各种性质的要求
（1）热力学性质要求 在标准大气压下汽化温度要低；工作温度范围内冷凝压力不宜过高；单位体积的制冷量要足够大；制冷机的临界温度高，凝固温度低。
（2）物理和化学性能的要求 较高热导率、粘度、密度要小、无毒无腐蚀性、有一定的溶由性和水溶性。
（3）使用注意事项 制冷钢瓶需安检；放置环境通风，防高温和太阳直射；分装和充加制冷剂时保证室内空气流通，佩戴防护设施；使用后关闭控制阀；禁止明火对制冷剂加热，可用100度以下的水热敷。
3．制冷剂选用原则
考虑制冷机的工作压力、容积制冷量、对人体健康的影响及制冷剂的生产、价格、贮运等问题。
四、新型制冷剂介绍
无氟（HFC）制冷剂，如R134a，但也有一些固有缺点，如渗透性强、饱和压力高、水溶性高、润滑性能不够等；R600a，中温制冷剂，热导率高。
四、作业安排
五、课后反思
第四节 空气调节基础
【教学目标】
1．知识目标：
了解空气调节的基本知识。
理解湿空气的物理性质及其焓湿图的意义和应用。
2．能力目标：
通过理论知识的学习和应用，培养综合运用能力。
3．情感目标：
培养学生热爱科学，实事求是的学风和创新意识，创新精神。
【教学重点】空气调节的基本知识。
【教学难点】焓湿图的意义和应用。
【教学方法】读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【课时安排】6学时
【教学过程】
〖导入〗
空气调节，把经过处理之后的空气，以一定方式送入室内，使室内空气的温度、相对湿度、流动速度和洁净度等控制在适当范围内的专门技术。
通过对空气的调节，可使人们的生活环境和劳动工作条件得以改善。
在一些科学实验、工业生产过程中也需要特殊的环境温度和空气洁净度。
这些均需要空气调节来完成。
〖新课〗1-2学时
第四节 空气调节基础
一、空气调节内容
1．空气调节中室内空气参数的基本要求
空气调节其室内的空气参数包括：
空气的温度t，相对湿度，空气流速、清洁度和允许的噪声等。
按其调节对象的不同，分为舒适性空调和工艺性空调。
我国对一些民用、公共建筑及特殊的生产工艺过程的空调基本要求：
2．湿空气的物理性质
空气的基本组成
（湿）空气=干空气＋水蒸气
与空气调节密切相关的湿空气的物理参数压力、温度、湿度、含湿量、焓和密度（或比体积）。
（1）压力 即大气压力（pamb）
pamb=pg+pq
（2）温度 温度是表示空气冷热程度的标尺。
（3）湿度 湿度是表示空气干湿程度的物理量。
绝对湿度（Z）：
lm3湿空气中含有水蒸气的质量，称为空气的“绝对湿度”。
Z——（湿）空气的绝对湿度，kg/m3；
mq——水蒸气的质量，kg；
V——湿空气的总体积，m3。
相对湿度（）：
指空气中水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气分压力或是湿空气的绝对湿度与湿空气达到饱和时的绝对湿度之比。
——湿空气的相对湿度；
ps——湿空气达到饱和时水蒸气的分压力，Pa；
Zs——湿空气达到饱和时的绝对湿度，kg/m3。
相对湿度表示的是湿空气接近饱和的程度。
值越小，空气越干燥，远离饱和状态，吸收水蒸气的能力就强。
含湿量（d）：
即湿空气中，伴随1kg干空气的水蒸气质量（g），其单位为g/kg。
其表达式为
d——湿空气的含湿量，g/kg（d.a）；
mq——湿空气中水蒸气的质量，kg；
mg——湿空气中干空气的质量，kg。
含湿量确切表示空气中实际含有的水蒸气的多少。
饱和绝对湿度（ZB）：
大气压力下，具有定温的定量空气中；所能容纳的水蒸气量达到了最大值，这时空气的湿度称为饱和绝对湿度，单位为kg/m3。
（4）密度
——（湿）空气的密度，kg/m3；
m—（湿）空气的质量，kg；
V——（湿）空气的体积，m3。
密度的倒数称为空气的比体积（v）。
（5）焓 1kg干空气的焓与（0.001d）kg水蒸气焓的和，称为（1+0．001d）kg湿空气的焓。
单位为kJ/kg（d.a）。
其表达式为
h——湿空气的焓值，kJ/kg（d.a）；
hg——1kg干空气的焓，kJ/kg；
hq——1kg水蒸气的焓，kJ/kg。
（6）露点温度（tL）露点温度简称为“露点”，在给定含湿量的前提下，使空气冷却到饱伏态（＝100%）时的那个温度。
空气温度低于露点，空气中部分水蒸气即结露；当温度于0℃时，则结为霜。
3-4学时
二、焓-湿图及其应用
湿空气的焓-湿（h-d）图即性质图，是空气调节设计计算和运行管理的主要工具。
1．h-d图的基本构成与内容，如图所示。
湿空气的h-d图是用斜坐标构成的。
纵坐标——湿空气的焓值。
与纵坐标成135°夹角的斜坐标表示湿空气的含湿量d，作一水平辅助轴代替实际轴。
在辅助轴上取一定的间距作为1g含湿量之值。
通过各点作含湿量不变的垂线（d=常数）。
在纵轴上，同样取一定的间距作为焓值，并规定0点以上的焓为正值，0点以下的焓为负值。
通过既得各点引平行于实际轴线，且h=常数的直线，这些直线与d=常数的直线相交成135°的角度，这些平行的斜线表示等焓线。
5-6学时
2．湿空气h-d图的应用
第一，决定湿空气的状态参数：
在给定大气压力下，根据湿空气任意两个已知量在h-d图上确定的状态点，可求得其它状态参数。
第二，表示湿空气的状态变化过程：
在空气调节工程中，不仅要在h-d图上确定某一空气的状态参数，还要研究某一状态下的空气在加热、冷却、加湿或减湿过程中的状态变化。
热湿比
（1）露点温度在h-d图上的表示，从露点温度的形成过程可知，保持含湿量不变时，随着温度的降低值增加，=1时所对应的温度即为露点温度。
例2-6 已知空气温度t=30℃，相对湿度=65％，所在地区大气压力pamb=101325Pa，求此时空气的露点温度。
解 根据已知参数点，在h-d图上找到状态点A，如图所示。
从点A沿等含湿量线下降到与=100％的线相交得点B，查得点B所对应的温度，此温度即为露点温度tL=24℃。
（2）干式加热过程 等湿加热。
空气
>0，
=0，故=
/
=∞。
空调工程中，过程曲线如图所示。
（3）干式冷却过程 等湿冷却过程。
冷却过程中，空气焓值减少，即
<0，
=0
=
/
=-∞，如图所示。
（4）减湿冷却过程 空气冷却过程中，如上图所示点3的位置。
（5）加热加湿过程 在空气加热的同时进行加湿。
这一过程的
、
均为正值，>0，其过程如图所示。
（6）等焓减湿过程 采用固体吸湿剂对空气进行等焓减湿处理。
固体吸湿剂有两类：
一类，吸湿后仍为固体状态；另一类为吸湿后固态逐渐变为液态。
固体吸湿剂处理空气的过程可看作等焓减湿过程，变化过程线如图所示。
四、作业安排
五、课后反思
本章小节
（1）工程热力学研究工质的状态和性质，常见的状态参数有温度、压力、比体积（以上三个参数直接测量称为基本参数）、内能、焓、熵等；理想气体状态方程式反映了各参数之间的关系；能量守恒和转换是热力学第一定律的本质，而热功转换的条件则是热力学第二定律的内容。
（2）压缩式制冷循环是最常见的制冷方式，实际制冷循环有过热循环、过冷循环和回热循；压—焓图反映了制冷循环中各过程的状态参数的变化关系。
（3）湿空气的物理性质包括压力、温度、含湿量、相对湿度、绝对湿度等；空气又称为湿空气，是干空气和水蒸气的总和，相应的压力也等于干空气分压力与水蒸气分压力之和。
以焓为纵示，以含湿量为横坐标的图形为焓—湿图。
它反映了等相对湿度线、等温线、等焓线、等含湿，可在其上反映湿空气的加热过程、加湿过程、冷却过程等。
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